白藜芦醇的合成及其性质

白藜芦醇的合成及其性质

摘要: 白藜芦醇是一种含有芪类结构的非黄酮类多酚化合物。它不仅是植物遭受胁迫时产生的一种能提高植物抵抗病原性攻击和环境恶化的植物抗毒素, 还具有抗癌、抗氧化、调节血脂、影响寿命等多方面有益于人类健康的重要功能。以下对白藜芦醇的理化特性、合成、提取、纯化与检测方法进行了全面总结, 并在其作用的分子机制基础上, 对其生物学活性、基因工程研究及产业化情况进行了重点介绍。发现在传统育种的基础上, 借助于现代生物技术手段, 将白藜芦醇的天然活性保健作用应用于保健食品的开发、作物经济附加值的提高具有广阔的前景。它的开发和利用, 必将为食品及制药工业新产品的开发提供新的挑战与机遇。

关键词白藜芦醇功能合成性质产业化

白藜芦醇(Resveratrol)是含有芪类结构的非黄酮类多酚化合物。广泛存在于葡萄、松树、虎杖、决明子和花生等天然植物或果实当中, 到目前为止至少已在21 科、31 属的72 种植物中被发现。它是许多植物受到生物或非生物胁迫(如真菌感染、紫外照射等)时产生的一种植物抗毒素。白藜芦醇除了能提高植物的抗病性, 研究发现它还有有益于人类健康的多种生物学活性及药理作用, 深受生物医学界的重视。以下综述了白藜芦醇的性质特点、合成、分离、纯化和检测方法的研究进展, 并对其生物学活性、作用的分子机制、其在植物中相关基因工程研究及产业化情况进行了重点探讨。

1 白藜芦醇的发现

白藜芦醇是1940 年日本人首次从毛叶藜芦(Veratrum grandiflorum)的根中获得的。1963 年, Nonomura 等提出白藜芦醇是某些草药治疗炎症、脂类代谢和心脏疾病的有效成分。1976 年, Langcake和Pryce发现在葡萄(Vitis riparia)的叶片中存在白藜芦醇, 其合成在遭受紫外线照射、机械损伤及真菌感染时急剧增加, 并且能够抵抗灰霉菌(Botrytiscinerea)的侵染, 是植物体在逆境或遇到病原侵害时分泌的一种抗毒素, 故称之为“植物杀菌素”。后白藜芦醇开始受到葡萄育种学家和植物病理学家的重视。

2 性质特点

白藜芦醇化学名称为3, 5, 4 - 三羟基二苯乙烯(3, 5, 4 -trihydroxysitlbene), 分子式为C14H12O3, 分子量为228.25 kD, 是无色针状晶体, 难溶于水, 易溶于乙醇、

乙酸乙酯、丙酮等极性溶剂。

白藜芦醇在自然界的存在形式主要有4 种: 顺式、反式白藜芦醇及顺式、反式白藜芦醇苷, 在紫外光照射下白藜芦醇苷反式异构体能够转化为顺式异构体, 其中反式异构体的生理活性大于顺式异构体, 单体活性大于糖苷, 植物中白藜芦醇通常以稳定的反式糖苷形式存在。白藜芦醇在光下不稳定,反式白藜芦醇在完全避光时, 可在乙醇中稳定存在数月, 仅在高pH(≥10)下稳定性差一些; 而顺式白藜芦醇在避光条件下只有在中性pH 下较稳定; 反式与顺式白藜芦醇在紫外光210 nm 处有强吸收, 其第二吸收峰分别在305 nm~330 nm 和280 nm~295 nm处。

3 白藜芦醇的合成

目前市售的白藜芦醇多是从天然植物中提取的,但是植物提取技术面临成本高, 得率低和植物资源有限等问题。近年来, 随着人们对白藜芦醇在心血管和肿瘤等疾病的预防、人类健康保健等方面功能认识的加深, 国内外对白藜芦醇的合成研究有了很大进展。

3.1 化学合成

白藜芦醇的化学合成包括二苯乙烯骨架的形成、顺反异构化和去保护基三步。化学合成的关键在于二苯乙烯骨架的形成。白藜芦醇的化学合成主要包括五类。

3.1.1 Wittig 反应

Wittig 反应通过Wittig 试剂(磷Ylide 等)与醛、酮的羰基发生亲核加成反应, 形成烯烃。此方法简便, 但产率较低。目前, 已有很多利用Wittig 反应合成白藜芦醇的报道。

3.1.2 Wittig-Horner 反应

这是对Wittig 反应的一种改进, 它是用亚磷酸酯代替三苯基膦所制得的磷Ylide 与醛酮反应形成双键。该反应操作简便, 条件温和, 产率高。Wang、TaKaRa 等都在Wittig-Horner 反应基础上进行了白藜芦醇的合成, 只是他们所用的保护碱基不同。

3.1.3 Perkin 反应

为有机化学中的经典反应, 具体指: 芳香醛与酸酐在同酸酐相应的酸的羧酸钠盐、钾盐(或叔胺)的存在下进行缩合反应, 生成β-芳丙烯酸类化合物。该反应可以用于白藜芦醇的合成。2003 年, solladié等以3,5-二异丙氧基苯甲醛和以对异丙氧基苯乙酸通过Perkin 反应合成白藜芦醇的过程中, 将得到的单一顺式构

型产物经脱羧反应后, 得到以顺式构型为主的混合构型的产物, 并以异丙基作为羟基保护基团来保持产物的立体构型, 进一步对顺式构型产物异构化得到单一反式构型产物。

3.1.4 Heck 反应

指钯催化的烯烃芳基化和烯基化偶联反应。2002年, Guiso 等使用了一种新的方法合成白藜芦醇, 即:利用3,5-二乙酰氧基苯乙烯与对乙酰氧基碘苯发生Heck 反应, 接着水解即可, 总产率达到了70%。Heck 反应优点在于选择性较高, 且去保护容易,但成本高, 不适合工业化生产, 使用的催化剂为含钯的络合物, 价格昂贵且毒性大。

3.1.5 利用碳负离子与羰基化合物的缩合反应制备

白藜芦醇碳负离子与羰基发生亲核加成反应, 所得的羟基消除后可形成双键, 这类反应也可用于白藜芦醇的合成。Alonso等使3,5-二甲氧基苄醇的硅衍生物通过强碱作用形成苄基碳负离子, 该碳负离子再进攻茴香醛的羰基, 继而脱水、去甲基, 最后得到了反式白藜芦醇, 总产率为21%, 该方法在构型选择性上有优势。

3.2 生物合成

白藜芦醇广泛存在于种子植物中, 作为芪类次生代谢物, 主要通过苯丙氨酸代谢途径合成的, 其中最关键的调节酶为二苯乙烯合酶, 又称芪合酶(Stilbene synthase, 简称STS) 。STS 在植物中多以基因家族存在, 目前已克隆的STS 可分为2 种类型: 一种为白藜芦醇合成酶(Resveratrol synthase,简称RS)(EC 2.3.1.95), 又被称为3,4′,5-三羟基二苯乙烯合酶, 主要在花生或葡萄中存在, 以4-香豆酰辅酶 A 和丙二酰辅酶 A 为底物合成白藜芦醇; 另一种为赤松素合成酶(EC 2.3.1.146), 以肉桂酰辅酶A和丙二酰辅酶A 为底物合成赤松素(Pinosylvin)。研究表明, RS 是白藜芦醇合成代谢途径中最后一个起作用的关键酶, 也是合成途径中唯一必需的合成酶。在葡萄、花生、松树等植物中都具有诱导型STS,如RS 的表达机制, 但大多数植物细胞中虽然有酶的底物, 但缺少RS 基因, 从而缺乏在诱发因子作用下合成该类物质的能力。

以往对白藜芦醇生物合成研究的主要目标是以植物抗病性的遗传改良为主。不少研究者将分离到的STS 基因转入不含有STS 基因的植物中, 使得植物的抗病性得到增强。例如: Hain 等将RS 基因转入烟草(Nicotiana tabacum)和西红柿(L. esculentum)中, 转基因植物对葡萄孢属(Botrytis)和疫霉属(Phytophthora)病菌的